摘要：本文分析了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的基本特性和通訊協(xié)議，介紹了一種基于赫優(yōu)訊嵌入式模塊COM-C的PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)的設(shè)計方案，并在DCS系統(tǒng)中成功應(yīng)用。目前，該系統(tǒng)已投入現(xiàn)場運行，穩(wěn)定可靠，取得很好的實效。 關(guān)鍵字：PROFIBUS-DP主站；現(xiàn)場總線；DCS系統(tǒng)；嵌入式模塊 [align=center]The design of PROFIBUS-DP Master system based on Hilscher embedded module ZHANG Xiao-gang, DENG Wu-peng （1. Zhejiang SUPCON Technology Co., Ltd, Hangzhou， 310053 2. Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH Shanghai Representative Office, Shanghai, 200010） 張曉剛1，鄧梧鵬2 （1. 浙江中控技術(shù)股份有限公司 浙江 杭州310053； 2. 德國赫優(yōu)訊自動化系統(tǒng)有限公司上海代表處 上海 200010）[/align] Abstract: This paper analyzes the character and protocol of PROFIBUS-DP, and introduces one solution of PROFIBUS-DP Master system based on Hilscher embedded module, which is applied in DCS successfully. The system runs steadily on the field, and gets good feedback from customers. Key words: PROFIBUS-DP Master, Fieldbus, DCS, Embedded module 0 引言 現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個新時代的開始，并將對該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。 作為歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線PROFIBUS（Process Fieldbus）已經(jīng)被全世界所接受，成為國際化的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，并在中國發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于加工制造、過程等自動化領(lǐng)域中。 目前，越來越多的國內(nèi)自動化設(shè)備制造商都已開發(fā)出了帶有PROFIBUS從站接口的設(shè)備，并在市場上獲得廣泛的認(rèn)可。然而，自主開發(fā)的帶有PROFIBUS主站通訊接口的設(shè)備卻很少。本文介紹了一種基于嵌入式模塊COM-C的PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)的設(shè)計方案，基于該方案設(shè)計的產(chǎn)品已經(jīng)在浙江中控的WebField ECS-100 DCS系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。 1 PROFIBUS-DP通訊協(xié)議 1.1 PROFIBUS的組成 PROFIBUS是由西門子公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，是德國標(biāo)準(zhǔn)（DIN19245）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，并已納入國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158中。它是一種具有廣泛應(yīng)用范圍的、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)，特別適用于工廠自動化和過程自動化領(lǐng)域。 PROFIBUS由相互兼容的三個部分組成，即PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA。 PROFIBUS-FMS：用于車間級通用的控制及通信任務(wù)，是一個令牌環(huán)結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡(luò)。 PROFIBUS-DP：是一種高速且優(yōu)化的通信方案，主要用于實現(xiàn)現(xiàn)場級控制與分布式I/O及其他現(xiàn)場級設(shè)備之間的通信。 PROFIBUS-PA：專為過程自動化而設(shè)計，符合本征安全規(guī)范，適用于防爆區(qū)的應(yīng)用。 PROFIBUS這三層協(xié)議使其成為能夠提供制造業(yè)自動化、工程自動化、樓宇自動化以及電力自動化完整解決方案的唯一的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。 1.2 PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP協(xié)議設(shè)計用于現(xiàn)場層的快速數(shù)據(jù)交換，中央可編程控制器（如，PLC、PC或過程控制系統(tǒng)）通過快速串行連接與分散的現(xiàn)場設(shè)備（如，I/O、驅(qū)動器、閥門或變送器）進(jìn)行通信。依據(jù)各種應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需求，已經(jīng)用特殊功能逐步地擴(kuò)展了DP的基本功能，目前有三種版本：DP-V0，DP-V1和DP-V2，每一種版本都有自己專用的關(guān)鍵特性，如圖1所示。版本的這種區(qū)別，主要反映了依據(jù)不斷增長的應(yīng)用需求而完成的規(guī)范工作的時間順序。 [align=center] 圖1 PROFIBUS-DP各版本的主要功能[/align] DP-V0提供DP基本功能，包括循環(huán)的數(shù)據(jù)交換，以及站診斷、模塊診斷和特定通道的診斷。 DP-V1包含依據(jù)過程自動化的需求而增加的功能，特別是用于參數(shù)賦值、操作、智能現(xiàn)場設(shè)備的可視化和報警處理等的非循環(huán)的數(shù)據(jù)通信。此外，DP-V1有三種附加的報警類型：狀況報警，刷新報警和制造商專用的報警。 DP-V2包含主要根據(jù)驅(qū)動技術(shù)的需求而增加的其它功能。由于增加的功能，如等時同步從站模式和從站與從站通信等，DP-V2也可以被實現(xiàn)為驅(qū)動總線，用于控制驅(qū)動軸的快速運動時序。 2 PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)設(shè)計 PROFIBUS是一種開放的標(biāo)準(zhǔn)，原則上，該協(xié)議可以在任何處理器上實現(xiàn)。目前，自動化廠商在開發(fā)PROFIBUS-DP主站設(shè)備時，主要有以下三種解決方案： 1. 軟PROFIBUS主站，該方案完全由軟件來實現(xiàn)PROFIBUS協(xié)議，由微處理器來運行完整的協(xié)議堆棧。該方案開發(fā)難度和開發(fā)風(fēng)險都特別大，開發(fā)周期也長，而且需要開發(fā)人員對PROFIBUS協(xié)議、框架特別熟悉。產(chǎn)品開發(fā)出來后，需要送歐洲進(jìn)行協(xié)議一致性測試和認(rèn)證。 2. 專用ASIC芯片外加擴(kuò)展固化程序Firmware，該方案是采用較多的一種，由專用的ASIC芯片實現(xiàn)PROFIBUS協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制功能；而數(shù)據(jù)鏈路層的其他功能和應(yīng)用層的功能則由微處理器運行其擴(kuò)展固化程序?qū)崿F(xiàn)。但是，目前國內(nèi)市場很難購買到Firmware，如果由用戶自己編寫Firmware則難度增加，開發(fā)周期也長，同樣需要送歐洲進(jìn)行協(xié)議一致性測試和認(rèn)證。 3. 嵌入式模塊主站，該方案是開發(fā)PROFIBUS-DP主站設(shè)備采用最多的一種，模塊內(nèi)部已經(jīng)集成專用的ASIC芯片和固化程序Firmware。該方案開發(fā)難度和開發(fā)風(fēng)險都大大減少，開發(fā)周期縮減，并且協(xié)議已經(jīng)通過了一致性測試和認(rèn)證。 本文采用的是第三種方案——嵌入式模塊主站，使用的是德國赫優(yōu)訊（Hilscher）自動化系統(tǒng)有限公司的嵌入式模塊COM-CN-DPM（PROFIBUS-DP Master），由該模塊實現(xiàn)PROFIBUS-DP主站協(xié)議，主機(jī)系統(tǒng)通過嵌入式模塊提供的雙端口內(nèi)存（Dual-Port Memory，DPM）接口與模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用戶不需要關(guān)心PROFIBUS協(xié)議的具體實現(xiàn)，只需往DPM接口讀/寫數(shù)據(jù)就可以，因此，該模塊就像一個內(nèi)存，使用起來非常方便。 2.1 硬件設(shè)計 嵌入式模塊COM-CN-DPM提供給用戶的硬件接口有X1和X2兩個排針連接頭，X1連接頭（50根管腳），即雙端口內(nèi)存接口，包含與主機(jī)通信必備的控制線、數(shù)據(jù)線和地址線。X2連接頭（30根管腳），即現(xiàn)場總線接口，包含PROFIBUS信號線以及LED狀態(tài)指示燈。 嵌入式模塊COM-C與主機(jī)接口電路如圖2所示。由于PROFIBUS協(xié)議都由模塊內(nèi)部實現(xiàn)，因此用戶應(yīng)用程序只需通過提供的API接口和訪問方式，對雙端口內(nèi)存進(jìn)行讀/寫操作。通過現(xiàn)場總線接口，將PROFIBUS信號線引出，只需在母板上連接一個9針D-Sub連接頭，通過此接口將模塊連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中。該模塊同時提供LED狀態(tài)指示燈，可將LED信號線引出到母板上，方便用于診斷模塊的通信狀況。 [align=center] 圖2 嵌入式模塊與主機(jī)接口電路[/align] 由于該模塊已經(jīng)集成實現(xiàn)PROFIBUS協(xié)議的所有必備電路，因此在外圍電路設(shè)計的時候非常簡單方便，其電路連接與MCU和內(nèi)存的連接相似。在該主站系統(tǒng)中，同時還設(shè)計了以太網(wǎng)接口，方便遠(yuǎn)程文件的下載。 2.2 軟件設(shè)計 嵌入式模塊COM-C提供的主機(jī)接口是雙端口內(nèi)存DPM，用戶應(yīng)用程序通過DPM接口來訪問該模塊。同時，為了提高整個系統(tǒng)的實時性和可靠性，主機(jī)系統(tǒng)使用的是實時多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux。因此，在進(jìn)行軟件設(shè)計時，主要完成驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序的編寫。 2.2.1 雙端口內(nèi)存DPM結(jié)構(gòu) 嵌入式模塊COM-C提供的雙端口內(nèi)存DPM接口是8KByte的地址空間，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。 [align=center] 圖3 雙端口內(nèi)存地址空間[/align] 用戶應(yīng)用程序通過雙端口內(nèi)存DPM來訪問PROFIBUS-DP主站嵌入式模塊COM-C，該雙端口內(nèi)存分為兩個部分，協(xié)議無關(guān)（循環(huán)數(shù)據(jù)地址空間）與協(xié)議相關(guān)（非循環(huán)數(shù)據(jù)地址空間）。循環(huán)數(shù)據(jù)包含PROFIBUS-DP主站與從站之間相互交換的過程映像輸入輸出數(shù)據(jù)，非循環(huán)數(shù)據(jù)包含與PROFIBUS-DP協(xié)議相關(guān)的參數(shù)、報文、命令、狀態(tài)等數(shù)據(jù)。 ● 過程映像輸出數(shù)據(jù)：主機(jī)用戶程序發(fā)送給PROFIBUS-DP從站的輸出數(shù)據(jù)。 ● 過程映像輸入數(shù)據(jù)：PROFIBUS-DP從站發(fā)送給主機(jī)用戶程序的輸出數(shù)據(jù)。 ● 發(fā)送郵箱：主機(jī)用戶程序發(fā)送給PROFIBUS-DP從站的非循環(huán)報文信息，命令、診斷、配置文件下載等。 ● 接收郵箱：PROFIBUS-DP從站發(fā)送給主機(jī)用戶程序的非循環(huán)報文信息，從站報警、狀態(tài)、配置文件上傳等。 ● 協(xié)議參數(shù)：PROFIBUS-DP協(xié)議參數(shù)信息，波特率、看門狗時間、循環(huán)時間等。 ● 協(xié)議狀態(tài)：PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、錯誤、超時等。 ● 系統(tǒng)狀態(tài)：嵌入式模塊COM-C中運行的操作系統(tǒng)的狀態(tài)信息和模塊的基本信息。 ● 狀態(tài)/握手標(biāo)志：設(shè)備初始化狀態(tài)信息，過程映像輸入輸出數(shù)據(jù)和郵箱報文同步位，模塊寫，主機(jī)應(yīng)用程序讀。 ● 命令/握手標(biāo)志：用戶應(yīng)用程序狀態(tài)信息，過程映像輸入輸出數(shù)據(jù)和郵箱報文同步位，主機(jī)應(yīng)用程序?qū)?，模塊讀。 2.2.2 驅(qū)動程序的設(shè)計 赫優(yōu)訊提供基于PCI接口、Compact-PCI接口和ISA接口的Linux設(shè)備驅(qū)動，在該系統(tǒng)中，主機(jī)CPU直接對嵌入式模塊COM-C進(jìn)行訪問，因此可以借鑒提供的Linux設(shè)備驅(qū)動代碼，進(jìn)行移植。 Linux設(shè)備驅(qū)動主要完成對嵌入式模塊COM-C雙端口內(nèi)存的訪問，提供一個通用的驅(qū)動程序接口，用戶程序通過調(diào)用接口函數(shù)來訪問PROFIBUS主站嵌入式模塊COM-C。Linux設(shè)備驅(qū)動的框架如圖4所示，這樣做的好處就是，如果以后要使用赫優(yōu)訊公司的其它類型的現(xiàn)場總線（如DeviceNet、CANopen）嵌入式模塊COM-C, Linux設(shè)備驅(qū)動不需要改變，直接可用。 [align=center] 圖4 設(shè)備驅(qū)動框架[/align] Linux設(shè)備驅(qū)動主要實現(xiàn)的函數(shù)如表1。 [align=center]表1 Linux設(shè)備驅(qū)動函數(shù)表 [/align] 2.2.3 應(yīng)用程序的設(shè)計 應(yīng)用程序主要實現(xiàn)的功能：配置文件的遠(yuǎn)程接收和下載，與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等等。 網(wǎng)絡(luò)配置工具SyCon生成的網(wǎng)絡(luò)配置文件，可導(dǎo)出成DBM格式的文件，然后通過Mailbox（報文的形式）下載到嵌入式模塊的Flash中。配置文件下載流程如圖5所示。 [align=center] 圖5 配置文件下載流程[/align] 部分代碼如下： /＊＊＊＊＊ 下載配置文件 ＊＊＊＊＊/ memset（&txMsg.data, 0, sizeof（txMsg.data））; /＊ 讀出DBM文件中的相關(guān)信息 ＊/ fseek（pfFile, 40, SEEK_SET）; fread（&ul, 1, 4, pfFile）; ……. usFileLength=＊（unsigned short＊）&txMsg.data[9]; usFileLength=（unsigned short）usFileLength＊2; memcpy（&txMsg.data[17], &abTemp[0], 34）; /＊ 建立第一個報文 ＊/ txMsg.rx = 0x00; txMsg.tx = 0xff; txMsg.ln = 51; txMsg.nr = ++bNo; txMsg.a = 0; txMsg.f = 0; txMsg.b = 6; txMsg.e = 4; txMsg.data[0] = 3; if （ SendReceiveMessage（&txMsg, &rxMsg, 10000L）） goto LeaveProgram; fseek（pfFile, 44, SEEK_SET）; iRead=fread（&txMsg.data[0], 1, DOWNLOAD_LEN, pfFile）; usTransmittedLength = 0; /＊ 超過一個報文的最大長度，進(jìn)入循環(huán)，連續(xù)發(fā)送報文＊/ txMsg.ln = （unsigned char）（iRead）; txMsg.nr = ++bNo; txMsg.e = 8; do ｛ usTransmittedLength+=（unsigned short）iRead; if （ SendReceiveMessage（&txMsg, &rxMsg, 1000L）） goto LeaveProgram; iRead=fread（&txMsg.data[0], 1, DOWNLOAD_LEN, pfFile）; txMsg.ln = （unsigned char）iRead; txMsg.nr = ++bNo; txMsg.e = 8; ｝ while （iRead = = DOWNLOAD_LEN）; /＊ 發(fā)送最后一個報文 ＊/ txMsg.e = 0xc; usTransmittedLength += （unsigned short）iRead; if （ SendReceiveMessage（&txMsg, &rxMsg, 15000L）） goto LeaveProgram; /＊＊＊＊＊ 下載配置文件結(jié)束 ＊＊＊＊＊/ 3 PROFIBUS-DP主站模塊在DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用 WebField系列控制系統(tǒng)是浙江中控技術(shù)股份有限公司為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是Internet、Web技術(shù)的發(fā)展而推出的基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了最新的現(xiàn)場總線技術(shù)、嵌入式軟件技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了多種總線兼容和異構(gòu)系統(tǒng)綜合集成。各種國內(nèi)外DCS、PLC及現(xiàn)場智能設(shè)備都可以接入到WebField系列控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)過程控制設(shè)備信息的共享。 WebField系列控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。 [align=center] 圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 由圖可見，WebField系列控制系統(tǒng)包含管理信息網(wǎng)、操作網(wǎng)、過程控制網(wǎng)和I/O總線4層網(wǎng)絡(luò)。 管理信息網(wǎng)采用通用的以太網(wǎng)技術(shù)，用于工廠級的信息傳送和管理，是實現(xiàn)全廠綜合管理的信息通道。操作網(wǎng)采用快速以太網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)C/S模式下服務(wù)器與客戶端的數(shù)據(jù)通訊及操作網(wǎng)節(jié)點的時間同步。過程控制網(wǎng)（SCnetII網(wǎng)）實現(xiàn)操作站節(jié)點與控制站的連接，完成信息、控制命令的傳輸與發(fā)送，采用雙重化冗余設(shè)計，使得信息傳輸可靠、高速。I/O總線是控制站內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，包括SBUS、PROFIBUS、Modbus、DeviceNet等現(xiàn)場總線。 基于COM-C模塊設(shè)計的PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)是WebField系列DCS中過程控制網(wǎng)節(jié)點之一。它解決了系統(tǒng)與其他廠家測控系統(tǒng)和智能設(shè)備的互聯(lián)問題，用于將標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP從站設(shè)備連入系統(tǒng)，通過鏈接器和耦合器還可以接入PROFIBUS-PA設(shè)備。通過SCNetⅡ通訊協(xié)議，其他廠家測控系統(tǒng)和智能設(shè)備的過程參數(shù)可成功地與系統(tǒng)內(nèi)控制站、操作站等進(jìn)行信息雙向通信，實現(xiàn)組態(tài)、管理、顯示、操作及運算等功能，從而使異種設(shè)備成為WebField系列DCS的一部分。 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)配置工具SyCon可安裝于工程師站，通過SyCon組態(tài)軟件提供的API函數(shù)，可實現(xiàn)PROFIBUS組態(tài)到DCS組態(tài)軟件的完全信息共享，從而實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的一體化組態(tài)。 基于PROFIBUS-DP主站模塊開發(fā)的主站卡已經(jīng)成功應(yīng)用于WebField系列DCS中，并且在過程控制網(wǎng)、PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)都可以進(jìn)行冗余配置，保證了PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃浴＝刂聊壳?，該PROFIBUS-DP主站卡已經(jīng)在現(xiàn)場有幾百個成功的應(yīng)用。 4 結(jié)束語 本文在研究PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了高可靠性的PROFIBUS-DP主站設(shè)計方案，并且在DCS系統(tǒng)中成功應(yīng)用，已投入現(xiàn)場運行，穩(wěn)定可靠，取得很好的實效。目前，國內(nèi)廠家多限于對國外產(chǎn)品的系統(tǒng)集成及PROFIBUS-DP從站產(chǎn)品的開發(fā)，對PROFIBUS-DP主站產(chǎn)品的研究開發(fā)甚少，因此本文對開發(fā)PROFIBUS-DP主站產(chǎn)品具有借鑒作用。 參考文獻(xiàn)： [1] 中國現(xiàn)場總線專業(yè)委員會（CPO）秘書處?，F(xiàn)場總線PROFIBUS基礎(chǔ)知識及用戶安裝、投運導(dǎo)則[M]. [2] PROFIBUS International Business Office. PROFIBUS Specification EN 50170 Vol 2. 1998 [3] Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH. Toolkit Manual [EB/OL]. http://www.hilscher.com/support_manuals.html [4] Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH. Device Driver Manual [EB/OL]. http://www.hilscher.com/support_manuals.html [5] Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH. PROFIBUS-DP Master Protocol Interface Manual [EB/OL]. http://www.hilscher.com/support_manuals.html 作者簡介 張曉剛（197811——） 男 工學(xué)碩士 浙江中控技術(shù)股份有限公司工業(yè)通訊技術(shù)部高級工程師 專門從事工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究和DCS設(shè)備的開發(fā) 聯(lián)系方式： 浙江中控技術(shù)股份有限公司 地址：浙江省杭州市濱江區(qū)六和路309號中控科技園A4 郵編：310053 Email：zhangxg@supcon.com 鄧梧鵬（198004 ——） 男 工學(xué)碩士 德國赫優(yōu)訊自動化系統(tǒng)有限公司技術(shù)主管 專門從事現(xiàn)場總線、實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究。 聯(lián)系方式： 德國赫優(yōu)訊自動化系統(tǒng)有限公司上海代表處 地址：上海市黃浦區(qū)人民路885號淮海中華大廈2208室 郵編：200010 Email：wdeng@hilscher.com 電話： 021-63555161＊18